VTICRFE贮氢合金的结构与吸放氢行为研究.pdf

V - T i ．C r - F e 贮氢合金的结构与吸放氢行为研究材料学专业研究生：严义刚指导教师：陈云贵教授钒基贮氢合金在室温下可快速吸放氢，理论容量达到3 ．8 w t ％以上，因而受 到广泛的关注采用纯金属钒制备的ⅥI 基合金，如V - T i = C r 合金，具有较高的放氢量，但其成本很高、活化比较困难，人们曾尝试采用F e V 8 0 合金制备高容量钒基贮氢合金，但是没有成功．本文针对以上问题，在查阅大量文献的基础上，提出研究思路及研究方案通过成分调控、X R D 、S E M ／E D s 组织结构分析及P C T 吸放氢行为表征，并结合数理分析处理方法，研究构建了新型V - T i - C r - F e 四元合金体系，研究了V m - C r - F e 四元钒基贮氢合金体系吸放氢特性的影响因素，研究了F e V 8 0 合金中主要杂质( 如A I 、S i ) 对V - T i ．C r - F e 合金性能的影响，分析了采用F e V 8 0 合金制备高容量钒基贮氢合金的可行性，并通 过添加少量稀土元素改善Ⅵj ．C r - F e 合金的活化性能，取得了如下重要的研究结果：建立了新型的v 二T i - C r - F e 合金体系。

弄清了晶格常数( 4 ) 及电子浓度( C )对v 珂C r - F e 合金的影响当a 3 ．7 0 w t ％，放氢量筮．2 0 w t ％，其中合金 V 4 池8 ．4 C r 2 3 ．6 F e 8 具有最高的吸放氢容量，2 9 8 K 吸放氢容量分别可达到3 ．8 2 w t ％和2 ．3 0 w t ％，是V ．n ．C r - F e 四元合金体系中容量最高的针对F e V 8 0 中间合金中含有杂质A l 的问题，研究了( V 3 0 a 晤3 5 C r 2 5 F e l o ) l ∞捌；合金中A 1 的作用，研究表明( o ~ 5 a c ％) A I 的添加对V 3 0 T i 3 5 C r 2 5 F e l oB C C 合金的组织结构无明显影响，合金依然为B C C 固溶体结构，但是晶格常数增大，吸放氢容量降低，平台压力升高且随着A l 含量的升高，合金的吸放氢容量降低，而平台压力升高；当舢含量不超过1 ．5 a t ％时，合金的吸放氢容量没有明显降低，分别达到3 ．4 2 w t ％和1 ．8 4 w t ％以上 针对F e V 8 0 中间合金中含有杂质s i 的问题，研究了( v 3 扭3 5 0 r 2 5 F e l o ) l o 嘛s i x( x = o ~ 2 ．5 ) 合金中s i 的作用，研究表明在v 3 0 T i 3 5 C r 2 5 F e l oB C C 合金中添加s i后，合金中出现C 1 4L a v e s 第二相，随着S i 含量的增加，L a v e s 相含量将增加，而B C C 相和其晶格常数均降低。

L a v e s 相主要分布于合金的晶界处，s i 在其中富集；L a v e s 相的产生显著地提高合金活化性能，使合金在室温下无需活化处理、经过短暂孕育期后就可以快速吸氢s i 的添加引起合金的吸放氢容量降低，平台压力升高，平台斜率增大s i 含量不超过1 ．0 a t ％时，合金的吸氢量不会明显降低；不超过O ．6 3 a t ％时，放氢量无明显降低同样针对杂质S i 的问题，研究了添加l a t ％S i 的( 3 0 ～7 0 ) V - T i —C r - F e ( T i ：C r ：F c= 3 5 ：2 5 ：1 0 ) 合金，研究表明：钒含量的升高有利于提高合金中B C C 相的含量，从而提高合金的吸放氢容量；当钒含1 } 2 _ 4 2 a t ％时，1 ．0 a t ％S i 的添加不明显影响合金的吸放氢容量，但是明显提高合金的活化性能和平台分解压力针对杂质舢和S i 的协同作用问题，研究了V 3 0 T i 3 5 C r 2 5 F e l o - A l L 2 5 S i x ( 】【= 肌1 ．O )合金，研究表明含S i 合金由B C C 相和C 1 4L a v e s 相构成，L a v e s 相的含量随着S i 含量的增加而增加；随着s i 含量的增加，合金的吸放氢容量降低，平台压力升高。

S i 对v 3 躅3 5 C r 2 5 F e l o - A 1 1 ．2 5 和对V 3 0 T i 3 5 C r 2 5 F e l o 合金的影响类似，同时添加的触和S i 对合金的结构和组织的影响彼此独立；当S i _ 3 ．5 5 w t ％Ha n dd e s o r b > 2 ．0 3 w t ％Ha t2 9 8 1 ( ．I ti sd i f f i c u l tt oo b t a i nh i 庐c a p a c i t i e sw h e nV 5 5 a t ％．N o t a b l y , w h e n3 0 a t ％_ 3 ．7 0 w t ％a n dd e s o r p t i o nc a p a c i t i e s22 ．2 0 w t ％．A m o n gt h e s ea l l o y s ，V 4 0 T i 2 8 ．4 C r 2 3 ．6 F e 8s h o w st h em a x i m u ma b s o r p t i o n ／d e s o r p t i o nc a p a c i t y , a b s o r b i n g3 ．8 0 叭％Ha n dd e s o r b i n g2 ．3 0 w t ％Ha t2 9 8 kw h i c ha l et h em a x i m u mi n 、7 珂- C r o F ea l l o ys y s t e m ．。

C o n c e r n i n gt h ei m p u r i t yo fA 1i nF e V 8 0m a s t e ra l l o y , t h ee f f e c t so f0 ～5 a t ％A I6a d d i t i o n O n V 3 0 T i 3 5 C r 2 5 F e l o B C Ca l l o y w e r er e s e a r c h e d ．A f t e r t h e a d d i t i o n o f A l ，t h ea l l o yk e e p ss t i l ls i n g l e - p h a s ew i t hB C Cs t r u c t u r e , a n di t sm i c r o s t r a c t u r ed o e s n ’tc h a n g ee v i d e n t l y ．H o w e v e r , t h el a t t i c ep a r a m e t e ri n c r e a s e s ，h y d r o g e na b s o r p t i o n ／d e s o r p t i o nc a p a c i t yd e c r e a s e s ，a n dp l a t e a up r e s s u r er i s e s ．W i t ht h ei n c r e a s e o fA Ic o n t e n t ，h y d r o g e na b s o r p t i o n ／d e s o r p t i o nc a p a c i t yd e c r e a s e s ，a n dp l a t e a up r 髓s u r er i s e sf i 】n h e LW h e nA 1S1 ．5 a t ％，t h e h y d r o g e na b s o r p t i o n ／d e s o r p t i o nc a p a c i t yh a sn Oe v i d e n tr e d u c t i o n ．t h ef o r m e re x c e e d s3 ．4 4 w t ％a n dt h el a t t e r1 ．8 4 w t ％．T oo o n e ．．e 1 “ nt h ei m p u r i t yo fS ii nF e v 8 0m a s t e ra l l o y , t h ee f f e c t so f0 ～2 ．5 a t ％S ia d d i t i o ni nv 3 函5 C r 2 @ e 1 0 B C Ca l l o yw e r ei n v e s t i g a t e d ．S ii n d u c e st h ef o r m a t i o no fC 1 4L a v e sp h a s ei nV 3 0 T i 3 5 C r 2 5 F e l 0B C Ca l l o y ．W h e nS ii n c r e a s e s ．t h ec o n t e n to fC 1 4L a v e sp h a s ei n c r e a s e s ，w h i c hl e a d st ot h ed e c r e a s eo fb o t hB C Cp h a s ea n di t sl a t t i c ep a r a m e t e r ．L a v e sp h a s e ，i nw h i c hS ii sc o n c e n t r a t e d , m a i n l yg r o w sa l o n gt h eg r a i nb o u n d a r i e s ．T h ea p p e a r a n c eo fL a v e sp h a s ei m p r o v e st h ea c t i v a t i o np r o p e r t i e so fV 3 0 T i 3 5 C r 2 5 F e mB C Ca l l o ys i g n i f i c a n t l y , w h i c hc o n t r i b u t e st ot h ef a s tr e a c t i o nb e t w e e nS i - e n n t a i n i n ga l l o ya n dh y d r o g e n 缸2 9 8 Ka f t e ras h o r tp m o ao f i n c u b a t i o n ．T h ei n c u b a t i o ni ss h o r t e n e dw h e nS ic o n t e n ti n c r e a s e s ．H o w e v e r , S ia d d i t i o nl e a d st ot h ed e c r e a s eo fa b s o r p t i o n ／d e s o r p t i o nc a p a c i t i e s ，i n c r e a s eo fp l a t e a up r e s s u r ea n ds l o p eo f t h ep l a t e a ur e g i o n ．W h e nS iS1 ．O a t ％。

t h e r ei sal i t t l ed e c r e a s ei nh y d r o g e na b s o r p t i o nc a p a c i t y , w h i c hr e d u c e sg r e a t l yw h e nS i > 1 ．O a P ／o ．A。